【感應技術】芝加哥大學團隊研發出可拉伸壓力感應器 日後或應用於製作義肢

械義肢、遙距觸碰在科學世界為人所知已久,不過要做到貼近人類、具有相應觸覺的功能則還有一段距離。最近一個來自芝加哥大學(University of Chicago)的研究團隊,於11月24日在《科學進展》 (Science Advances)期刊上發表一篇文章,表示他們發明了一種新的壓力感應器(pressure sensors),將可應用在遠距離醫療以及機械義肢上,讓病人得到更合適的醫療支援。

 

感應器研發團隊合照,左起蘇齊(QI SU, 音譯),王思紅(SIHONG WANG,音譯 ),李揚(YANG LI,音譯 )  圖片來源:芝加哥大學

 

新感應器的特點

一般而言,機械手可以抓起物體,亦能夠彎曲及伸展,但它們在靈活度上,則會被拉伸性和感應性限制,只能做一些簡單的動作。而在軟機械技術(Soft Robotics)上製作壓力感應器則非常困難,因為當人工皮膚或者外層材質進行拉伸時,可能會發生側面應變(lateral strain),將另一些不相關的機械訊號傳遞到壓力感應器中。令其難以區分壓力(pressure)和作用力(strain),導致兩者無法獨立測量。

 

一般機械手的外觀

而芝加哥大學分子工程助理教授(Assistant Professor of Molecular Engineering)王思紅(SIHONG WANG,音譯 )與他的團隊的壓力感應器則不一樣,這款壓力感應器的拉伸比率可達到50%,同時間保持幾乎相同的傳遞感應能力。它也足夠靈敏,小至一張紙的壓力,它都可以瞬間做出反應。根據另一位主要開發,王教授的研究生蘇齊(QI SU, 音譯)表示,這種新的感應器設計成雙電層(electrical double layer),有金字塔的外型,外層則由有彈性的導電納米粒糊狀物和彈性體(conductive nanoparticle paste and elastomer)組成。當壓力施加在感應器上時,金字塔錐體會輕微壓縮,與電極連接,就能發送相關的壓力信號。

研究人員亦增加了每個金字塔底部的堅硬度,令其即使拉伸和變形,亦能確保感應器的完整,即使拉伸出超過50%(人體皮膚一般的拉伸水平),仍然保持靈敏度。研究團隊更為感應器做測試,發現這些「金字塔」拉伸 500 次以上都沒有失去傳送感應的能力。

應用的層面

相關的技術應用層面非常廣泛,但王教授特別指出,新冠肺炎令這項技術顯出迫切需要。由於目前疫情爆發,許多病人被困家中,只能透過視像通話就醫,無法獲得貼身的診斷或治療。他認為未來機械人將可以提供這樣的服務。王教授用加上了感應器的機械手去紀錄人類的脈搏,並將機械手按在人類身上,施加適當的壓力,模擬物理治療的情況。而這項技術也可以在日後充當義肢的電子皮膚,令殘疾者透過機械手感受到物件的觸感。

 

王教授表示:「這是第一款能夠經過拉伸但仍然能保持高敏感及傳送快的壓力感應器。它在醫療、研究方面都具有很大潛力。」除此之外,他亦為該技術申請專利,也訂立了下一步的目標。在下一波研究中,王教授打算增加感應器的數量,並拓展到不同部分,令這感應器最終可以大量運用在義肢身上,協助肢體殘障人士重獲觸感。

 

Text by Medical Inspire 編輯部

資料來源:Science Advances

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